목차
● 오로라의 어원과 종류
● 오로라의 높이와 발광
● 오로라의 활동과 원인
오로라의 어원과 종류
오로라(aurora)는 태양에서 방출되는 플라즈마 입자가 지구 대기권 상층부의 자기장과 마찰을 해서 빛을 내는 광전 현상입니다. 이들 입자의 유래는 주로 태양에서 방출된 것이 대부분인데, 태양풍을 따라 지구 근처에 왔다가 지구의 자기장에 끌려서 대기로 진입하는 것입니다. 자극에 가까운 남반구와 북반구의 고위도 지방, 즉 극지방에 가까울수록 관측이 쉽기 때문에 극광이라고도 합니다. 북극에선 북극광, 남극에선 남극광으로 불립니다. 지구 이외에 화성, 목성, 토성 등에서도 오로라 현상이 있는 것으로 알려져 있습니다.
오로라라는 이름은 황금빛을 의미하는 단어 오르에서 유래되었는데, 이것은 동틀 녘 하늘에 태양에서 황금빛이 발할 때를 의미하는 새벽, 또는 신명이라는 뜻의 라틴어이고 로마신화에서 나오는 여명의 여신(그리스 신화에서는 에오스)이기도 합니다. 오로라는 눈처럼 하얗고 장미 향기가 나는 피부를 가진 금발의 아름다운 여신인 태양신 헬리오스의 누이동생입니다. 중위도에서 볼 수 있는 극광이 새벽빛과 비슷하기 때문에 17세기경부터 극광을 오로라라고 부르게 되었습니다.
오로라는 극관, 글로오로라, 오로라대형, 중위도오로라 등으로 나뉩니다. 이 가운데 가장 현저한 것이 오로라, 대형오로라이고, 보통은 오로라라고 하면 다시 커튼형 오로라, 패치상 맥동성오로라, 희미한 부정형오로라로 나뉩니다.
오로라가 가장 자주 보이는 지역은 남극 및 북극 양극지방의 지구 자기 위도 65~70도의 범위로서 이 지역을 오로라대(auroral zone)라고 합니다. 오로라대보다 고위도 극관지역이자 저위도에서의 출현빈도는 감소합니다. 출현하는 위도는 지방시에 따라 다르고, 야간에는 65~70도에 많고, 주간에는 75~80도로 위도가 높아집니다. 이렇게 오로라가 출현하는 위도가 지방시에 따라 변화를 보이기 때문에 오로라 출현대를 오로라대와 구별하여 오로라 오벌(aurora oval)이라고 합니다. 오로라 오벌은 2개의 종류로 구분되는데 낮에서 저녁을 거쳐 심야에 으르는 시간에는 커튼형 오로라이고, 그 이후 아침까지의 반은 주로 맥동성오로라로서 일반적으로 얇은 배경으로 동반합니다. 과거에는 관측장치의 감도부족으로 인해 맥동성오로라를 충분히 관측할 수 없었기 때문에 이 부분을 희미한 부정형오로라라고 했었습니다.
오로라의 높이와 발광
오로라가 나타나는 높이는 지상 약 80~수백km의 초고층 대기층입니다. 커튼 하단의 높이는 전리층 E층 약 100~110km이고, 커튼 상반부는 400km까지 펼쳐져 있습니다. 극관글로오로라가 지상 80~100km, 중위도오로라는 더욱 높아서 지상 300~600km 등으로 종류에 따라 고도가 다릅니다. 또 대형 오로라는 출현시간, 위도 및 그 종류에 따라 고도가 변화합니다. 일반적으로 주간에 고위도에서 출현하는 커튼형 오로라는 백수십~수백km로 높지만, 저녁부터 심야까지는 점차 하강하여 100~수십백 km가 된다. 심야에서 아침까지의 오로라는 주로 맥동성 오로라로서 높이가 커튼형보다 낮아서 90~100km 정도가 많습니다.
오로라가 발광하는 곳은 주로 초고층 대기이고 발광색은 공기의 주성분인 질소와 산소의 분자와 원자 및 그 이온이 입사입자에 의하여 충돌되고 들뜨게 되어 다시 들뜬 입자가 낮은 에너지준위로 떨어질 때 방출되는 고유의 빛입니다. 오로라의 대표적인 빛은 산소원자가 방출하는 녹색광 및 적색광, 질소분자 이온이 방출하는 청색 스펙트럼, 그리고 질소분자의 적색 또는 핑크색 스펙트럼 등입니다. 이들 빛은 각각 높이와 분포지대가 다른데 예를 들면 산소원자의 적색은 200km보다 높은 곳에서 강하고 산소원자의 녹색과 질소분자 이온의 청핵은 100~200km에서 강합니다. 활동적인 커튼형 오로라는 상부가 진홍빛이고 중앙이 청록색, 하부가 녹색 또는 핑크색 등으로 다채롭습니다. 오로라 중에는 저녁때의 저위도와 아침녁의 고위도에서처럼 수소의 휘선이 보이는 부분이 있거나 헬륨과 나트륨의 빛이 포함되기도 합니다.
오로라의 활동과 원인
극관글로오로라는 태양의 플레어 현상 때 태양에서 직접 날아오는 100만 eV 이상의 고에너지 양성자가 직접 극관지방에 입사함에 의한 것입니다. 입사입자는 높은 운동에너지를 가진 양성자이기 때문에 대기권으로 침투하는 깊이가 깊고 따라서 오로라 고도는 낮습니다. 대기권에서 양성자가 전자를 포착하여 중성수소로 변하기 때문에 수소의 휘선이 강합니다.
대형오로라는 항상 변동하고 가장 현저한 활동은 오벌의 한밤중의 부분에서 밝기가 증가해 격렬해지기 시작하고 몇 분 사이에 오벌의 폭이 수백km로 확대되면서 폭발적으로 발달합니다. 이를 오로라폭풍이라고 합니다.
태양풍 중의 자기장에서 남향성분이 증가하면 태양풍에서 지구자기권에 유입되는 에너지가 증가하고 그 결과 지구자기권 내에 큰 에너지가 축적됩니다. 이 에너지에 의해 자기권 꼬리의 자기중성면 부근에서 입자가 빠르게 가속되고, 다시 지상 수천 km높이 부근의 자기력선에 인접한 전기장에서 속도가 더욱 가속되며 자기력선에 유도되어서 초고층대기에 입사됩니다. 이런 메커니즘을 통하여 입사되는 전자에 의하여 발광하는 오로라가 커튼형 오로라입니다. 커튼형 오로라의 높이가 주간에서 저녁때를 거쳐서 한밤중에 이르는 사이에 점점 낮아지는 것은 이런 가속이 주간보다 야간에 현저하다는 사실을 보여줍니다. 인공위성과 로켓에 의한 관측에서도 가속전압이 낮에서 밤으로 갈수록 점점 증가한다는 사실이 알려져 있습니다.
이와는 달리 자기권 꼬리의 가속과정에서 직접 대기 중에 입사되지 않고 일단 자기권 내에 머물다가 다시 안쪽으로 진입해 비교적 안정된 자기권 내에 갇혔던 고에너지 입자가 자기적도면 부근에서 플라즈마파동과 상호작용을 일으켜 산란됨으로써 대기에 입사되는 과정을 거치는 것도 있습니다. 이러한 과정을 토하여 입사된 전자에 의하여 발광하는 오로라가 맥동성오로라입니다.
큰 자기 폭풍 때에 자기권 내에 갇혀 있던 고에너지 입자군에서 수일에 걸쳐 조금씩 높거나 낮게 누출되는 에너지에 의하여 중위도 오로라가 발광합니다.